【摘要】：微型壓電泵的研究和發(fā)展已有三十多年的歷史,隨著新材料、新工藝的出現(xiàn),壓電泵的體積不斷縮小、輸出性能不斷提高。近年來,部分微型壓電泵已經(jīng)開始產(chǎn)品化,并逐步地進(jìn)入生物醫(yī)藥、精細(xì)化工、民用消費(fèi)等各個領(lǐng)域,有著廣泛的應(yīng)用前景。然而,便攜式微機(jī)電設(shè)備的蓬勃發(fā)展對微型壓電泵產(chǎn)品提出了新的要求,特別是功耗、效率和壽命等。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看,微型壓電泵的研究重心尚在結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和輸出性能的提升上,深入并系統(tǒng)地探討微型壓電泵工作原理、工作特性及其設(shè)計理論的研究并不多見。由于缺乏完善的理論指導(dǎo),目前已形成產(chǎn)品的微型壓電泵普遍功耗偏大,效率偏低。 本文結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項(xiàng)目“血糖檢測與胰島素注射微系統(tǒng)”(NO.2011AA040406)的技術(shù)要求,在微型化的前提下,通過對壓電泵各部件及其系統(tǒng)工作原理和特性的分析,探明影響壓電泵性能、功耗和效率的內(nèi)在因素,為開發(fā)滿足便攜式微流體控制設(shè)備的微型壓電泵產(chǎn)品提供理論與技術(shù)支撐。 壓電振子是壓電泵的動力元件,決定了壓電泵的極限輸出性能。而壓電振子的驅(qū)動能力又由壓電陶瓷決定,故壓電陶瓷材料的選擇十分重要。論文第二章通過比較各類壓電陶瓷材料的電學(xué)特性和機(jī)械特性,決定選用兼有高耦合系數(shù)和高壓電常數(shù)低功耗、大振幅的PZT5材料。有關(guān)圓形壓電振子(以下簡稱壓電振子)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配和優(yōu)化的理論計算方法已經(jīng)比較成型,但由于計算過程涉及的參數(shù)過多,故實(shí)際應(yīng)用困難。本文引入壓電振子等效集中力的概念,將其直接與壓電振子的輸出力對應(yīng),并通過理論計算分別證明了壓電振子中心點(diǎn)位移、等效集中力與驅(qū)動電壓之間的線性關(guān)系,最終導(dǎo)出等效集中力與驅(qū)動電壓的計算公式。利用壓電振子中心點(diǎn)位移和等效集中力分別導(dǎo)出了壓電泵極限流量及極限壓力的表達(dá)式,并進(jìn)一步得到了壓電泵極限性能與電壓的關(guān)系。在進(jìn)行壓電振子的優(yōu)化設(shè)計時,其輸出力和位移特性可作為壓電振子驅(qū)動能力的直接評價標(biāo)準(zhǔn)。為了縮短壓電振子的開發(fā)時間,降低開發(fā)成本,提出了一種可以很好地與理論計算結(jié)果相吻合的壓電耦合有限元仿真方法,并通過試驗(yàn)測試對其準(zhǔn)確性進(jìn)行了評估,確定了該方法的可行性。 微閥是微型壓電泵(以下簡稱壓電泵)的關(guān)鍵流體控制元件,而微型被動截止閥在體積、成本和功耗等方面比其它形式的微閥更具優(yōu)勢。論文第三章通過比較常見微型被動截止閥的優(yōu)缺點(diǎn),最終選定輪式閥作為壓電泵的微閥結(jié)構(gòu)。首先對常用輪式閥的等效剛度進(jìn)行了理論計算,并提出了可行的測量方法。隨后對輪式閥的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析,其中特別討論了氣液混合狀態(tài)下輪式閥的臨界開啟壓力和毛細(xì)作用引起的截止現(xiàn)象,毛細(xì)截止現(xiàn)象使壓電泵具有完全截止能力,因而提高了壓電泵的實(shí)用性。 由于閥座的存在,在交變壓力的作用下,輪式閥閥片的運(yùn)動狀態(tài)在多數(shù)情況下為碰撞振動。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著振動頻率的增加,閥片與閥座的碰撞模式由滯留碰撞向非滯留碰撞轉(zhuǎn)變。論文對該現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析,并明確了各碰撞模式發(fā)生的邊界條件,推導(dǎo)了各碰撞模式下周期凈流量和累計凈流量的計算公式。研究表明,該公式反映的流量變化規(guī)律具有普遍性。 輪式閥工作時的能量損失大致可分為水頭損失、碰撞損失和流量損失,其中水頭損失與輪式閥及其安裝結(jié)構(gòu)有關(guān),而碰撞損失與輪式閥的剛度、頻率等因素相關(guān)。 論文第四章從吸程出流現(xiàn)象著手,通過理論和仿真分析證明了壓電泵工作時除因泵腔容積變化引起的容積流外,壓電振子對流體做功引起的慣性流對壓電泵的輸出流量亦有很大影響。在壓電泵工作原理傳統(tǒng)認(rèn)識的基礎(chǔ)上推導(dǎo)的流量計算公式,由于沒有考慮這種影響,故計算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。本文基于閥的過流特性提出了新的流量計算公式,計入了慣性流的影響,準(zhǔn)確地表述了壓電泵流量的變化趨勢,與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合很好。 壓電泵工作時,壓電振子將電能轉(zhuǎn)化為振動形式的機(jī)械能,而泵腔、閥等附屬結(jié)構(gòu)則將壓電振子提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體流動的能量。若以電功率、機(jī)械功率及流動功率分別表述上述三種能量,則可認(rèn)為在電功率不變的情況下,流動功率可作為評價壓電泵工作效率的標(biāo)準(zhǔn)。流動功率可通過壓電泵的壓力-流量特性曲線直觀地評價。同時,壓力-流量的線性特征和變化規(guī)律表明壓電泵的工作效率并不恒定,而與頻率、負(fù)載及管路-系統(tǒng)特性有關(guān)。因此,除了最大程度地提高壓電振子的機(jī)電轉(zhuǎn)化效率、減小閥的工作損耗,還可以根據(jù)壓力-流量特性和管路-系統(tǒng)特性調(diào)節(jié)壓電泵的工作頻率及驅(qū)動電壓,使壓電泵的工況點(diǎn)出現(xiàn)在壓力-流量特性曲線的高效率點(diǎn)。 針對壓電振子、被動截止閥和壓電泵工作原理及特性的研究,為壓電泵的設(shè)計提供了理論依據(jù)。論文第五章通過對壓電泵驅(qū)動電壓的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)確如第二章所述,壓電泵的輸出流量和壓力與驅(qū)動電壓呈線性關(guān)系。而驅(qū)動波形的試驗(yàn)表明,與方波驅(qū)動相比,正弦波驅(qū)動時壓電泵的工作效率更高。但考慮到方波驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易于微型化等優(yōu)勢,最終采用方波作為微型壓電泵的驅(qū)動信號,并研制了微型、高效率的壓電泵驅(qū)動電路。 根據(jù)輪式閥的工作特性及能量損耗因素,對輪式閥的剛度、閥片與閥孔的配合尺寸、預(yù)緊凸臺的高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了匹配,最終制成了包括驅(qū)動電路在內(nèi)的,功耗僅為11mW的微型壓電泵。其最大輸出壓力為30kPa,最大流量為25ml/min此外,第五章還對壓電泵串聯(lián)和并聯(lián)時的輸出特性進(jìn)行了研究,并提出了壓電泵串聯(lián)和并聯(lián)的選擇依據(jù)和方法。 壽命測算是產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié),為了縮短壓電泵產(chǎn)品的開發(fā)周期,根據(jù)壓電泵產(chǎn)品的失效機(jī)理,論文第六章在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下依據(jù)GB2689.1-81,應(yīng)用定數(shù)截尾恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法,對100臺通過批量生產(chǎn)工藝制得的壓電泵在加速應(yīng)力水平下進(jìn)行了3400小時的加速壽命試驗(yàn),并采用GB2689.4-81規(guī)定的最好線性無偏估計法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。結(jié)果表明,可靠度為0.95時,壓電泵在正常應(yīng)力水平下的壽命約為5800小時。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH38

【共引文獻(xiàn)】

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1 孫曉鋒;雙振子壓電泵設(shè)計理論與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2009年

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1 王龍;共振型壓電泵的設(shè)計理論與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2011年

2 劉健;針對不同粘度液體壓電泵的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2008年

3 霍靜;圓形壓電單晶執(zhí)行器的撓度特性的模擬、分析與優(yōu)化[D];重慶大學(xué);2010年

本文編號：2726750